Ein wirtschaftliches Aerogel auf Legierungsbasis als Elektrokatalysator für die Kohlenstofffixierung

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Bildnachweis: Wiley

Die Abscheidung und chemische Fixierung von Kohlendioxid aus industriellen Prozessen wäre ein großer Schritt in Richtung Kohlenstoffneutralität. Um zu verhindern, dass das berüchtigte Treibhausgas in die Luft entweicht, kann es komprimiert und gespeichert werden. Eine weitere Option ist die elektrochemische Umwandlung zu anderen Kohlenstoffverbindungen.

Aufgrund des hohen Stromverbrauchs und der Kosten für Katalysatoren können elektrochemische Trennverfahren jedoch nicht im industriellen Maßstab eingesetzt werden. Dies veranlasste Tianyi Ma von der Swinburne University of Technology in Hawthorn, Australien, und Kollegen, Ersatzmaterialien zu untersuchen. Die derzeit verwendeten Elektrokatalysatoren bestehen aus Edelmetallen wie Platin und Rhenium. Sie katalysieren elektrochemische Kohlenstofffixierungsprozesse sehr effizient, sind aber auch sehr teuer.

Die Autoren entdeckten, dass die Nichtedelmetalle Zinn und Wismut Aerogele bilden können, die unglaublich leichte Materialien mit besonders vielversprechenden Katalysatoreigenschaften sind. Aerogele enthalten ein ultraporöses Netzwerk, das den Elektrolyttransport fördert. Sie bieten auch reichlich vorhandene Stellen, an denen elektrochemische Prozesse stattfinden können.

Zur Herstellung der Aerogele mischte das Team eine Lösung aus Wismut und Zinnsalzen mit einem Reduktionsmittel und einem Stabilisator. Das einfache Rühren dieser Mischung führte nach sechs Stunden bei Raumtemperatur zu einem stabilen Hydrogel einer Wismut-Zinn-Legierung. Durch einen einfachen Gefriertrocknungsprozess wurde das Aerogel hergestellt, das aus lose verwobenen und verzweigten Nanodrähten besteht.

Die Autoren fanden heraus, dass das Bimetall-Aerogel für die Kohlendioxidumwandlung eine hervorragende Leistung erbrachte. Im Vergleich zu reinem Wismut, reinem Zinn oder der nicht gefriergetrockneten Legierung wurde eine signifikant höhere Stromdichte beobachtet. Die Umwandlung erfolgte mit einem Wirkungsgrad von 93%, der mindestens genauso effizient war, wenn nicht sogar effizienter als die derzeit verwendeten Standardmaterialien, was auf einen abfallarmen Prozess hinweist.

Das Verfahren zeigte “ausgezeichnete Selektivität und Stabilität für die Herstellung von Ameisensäure unter Normaldruck bei Raumtemperatur”. Die einzigen Nebenprodukte waren Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die in winzigen Mengen gebildet wurden. Die Autoren erklären, dass diese Selektivität und Stabilität auf die Energiebedingungen an der Oberfläche der Legierung zurückzuführen ist. Hier reichern sich die Kohlendioxidmoleküle so an, dass das Kohlenstoffatom frei ist, Wasserstoffatome aus Wassermolekülen zu binden. Dies ergibt Ameisensäure als bevorzugtes Produkt.

Diese Forschung deutet auf positive Zukunftsaussichten für andere Metallkombinationen hin. Es ist wahrscheinlich, dass andere Nichtedelmetalle sich in Aerogele umwandeln und kostengünstige, ungiftige und hocheffiziente Katalysatoren für die elektrochemische Kohlendioxidreduktion bilden.

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